第一章 飞机操纵系统1要点

第一章
飞机操纵系统
第一节 飞机飞行操纵系统概述
一、飞机飞行操纵系统的功用和分类
飞行操纵系统的定义：
传递驾驶员的操纵指令，使各操纵面 按操 纵指令偏转，实现对飞行姿态的 稳定控制
飞机仰俯的操纵
飞机操纵系统按操纵指令的来源分为：
1. 人工飞行操纵系统（MFCS） 2. 自动飞行控制系统（AFCS）
传动系统：是从中央操纵机构至舵面之 间的那部分线系。
常规的传动系统有三种结构型式： 1. 硬式传动系统 2. 软式传动系统 3. 混合式传动系统
软式和硬式操作系统
手操纵 软式 驾驶杆 脚蹬 副翼 升降舵 软式 脚操纵 方向舵
硬式 驾驶杆
升降舵
硬式
方向舵
副翼
脚蹬
硬式传动系统：主要靠拉杆和摇臂传力。 刚度大，不易变形，舵面不易引起振动 但重量大，构造复杂，系统通过机内装 备不便。 软式传动系统：主要靠刚索张力传力，必 须备有两根刚索构成回路轮流受拉起作用 。重量轻，构造简单，通过性好，但刚度 小，刚索受力后易伸长变形，受温度影响 大，操纵灵敏性差。刚索在转弯处绕过滑 轮，摩擦大，易磨损，生存力也差
圆柱体 连接杆 钢索源头
钢索扇 形块
(e)螺杆接头
(b)钢索与扇形块连接
(f) 松紧螺杆
(c)带眼接头
(g) 松紧螺套
滑轮和扇形轮
刚索张力补偿器：由于飞机所受的外载荷 以及周围气温变化很大，使机体结构与系 统产生不同的变形，刚索就会变松或拉紧， 即产生间隙或附加摩擦。刚索张力补偿器 能始终保持刚索适当的张力。
X
助力器
kz
飞机
G
s
ny , z
放大器
速率陀螺
k z
舵回路
kg
kv
放大器
kv
加速度计
kn y
增稳系统
增稳飞行操纵系统方块图
为了克服由于增稳系统而使飞机的操纵灵 敏性变差的问题，发展了控制增稳系统。
控制增稳系统：是在增稳系统的基础上 迭加来自驾驶杆的电信号，使它既起到 了增稳的作用，有增加了操纵反应能力。 操纵权限可为全权限的30%。

r2
F1 r1
摇臂的传动比也可由从动臂和主动臂的有 效臂长之比确定: n= F1/F2 = Δx2/Δx1 = r2`/r1` = r2sina/r1
操纵系统的传动比
F Q
C
B P2 A
r7
r6
r
r1
r5
P3
r4 r2
P1
r3
操纵系统的传动比等于系统各摇臂传动 比的连乘积，也等于各摇臂从动臂有效 半径乘积与主动臂有效半径乘积之比。
X
助力器
kz
飞机
G
s
ny , z
放大器 舵回路
kg
速率陀螺
k z
kv
放大器
kv
加速度计
kn y
增稳系统
杆力传感器 指令模型
kF
M s
控制增稳系统
随着电子技术和余度技术的发展，七十年 代初，出现了电传操纵系统（FBW），并 成为飞机的主操纵系统。
电传操纵系统：是控制增稳系统的必然 产物，它去掉了增稳系统的机械杆系， 而改用导线，用电信号代替机械信号工 作，就成了电传操纵系统。
6.限制操纵系统的操纵延迟。
7.具有既合适又足够的即使杆力和位移， 以保证舵面的最大偏转角和完成飞机 作各种机动的要求。
8.操纵系统元件与其它相邻结构件之间要 保持一定的间隙，以保证操纵系统在任 何飞行状态下不被卡死。 （二）具有良好的动态品质。 （三）工作应十分安全可靠。
二、飞机操纵系统的组成和传动 关系
（一）保证驾驶员能正常操纵飞机。包括： 1.驾驶员的操纵动作必须符合人的本能反 映习惯。
2.驾驶员通过驾驶杆可同时操纵副翼和升 降舵，两舵面的偏转应保证互不干扰。
3.驾驶员的操纵杆力和杆位移要恰当。
4.纵向、横向或航向的操纵杆力要匹配。 5.操纵系统的启动力应在合适的范围内， 以减轻驾驶员的疲劳或防止驾驶员无 意识动杆。
（一）飞机操纵系统的组成 典型的飞机操纵系统由中央操纵机构和 传动系统两部分组成。
中央操纵机构：是驾驶员直接操纵的部 分。由手操纵和脚操纵两部分组成。 手操纵机构有驾驶杆式和驾驶盘式两种 脚操纵机构有平放式和立放式两种。
射击按钮 减速板按钮 刹车把手 投弹按钮 驾驶杆
脚蹬调整卡锁 支架
副翼传动杆
升降舵 传动杆
通常k在如下统计值范围内选取： 升降舵操纵：k=2.3~3.2 方向舵操纵：k=5.1~8.1 副翼 操纵：k=1.7~2.9
传动比：表示驾驶杆力F与舵面操纵摇臂 上的传动力Q之比值。常用n表示。
n=F/ Q 可见，传动系数和传动比的关系为： k=F/ （Q•r）= n/r 两者具有同样的意义，两者成正比。
航向
347.3
1330
578
适用轻型飞机
适用运输类飞机
载荷感觉器
调整片效应机构
飞行速度和高度的进一步提高，特别是超 音速飞机的出现。给飞机操纵带来了极大 的困难。 主要表现为： 1. 在亚音速至超音速的飞行过程中会出现舵 面铰链力矩反向，使驾驶员无法正常操纵 飞机。
舵偏角
H=6Km
1.0
M
2. 在跨音速飞行时，机翼焦点后移，飞机 会产生自动下俯现象而引起杆力或杆位 移反向
轴承：为保证操纵灵活且不被卡死，在操纵 系统各交点处都安装有轴承。是标准件。
刚索张力随温度变化关系曲线
温度o
2.5
3
张力(kgf)
刚索张力补偿器
（二）操纵系统的传动系数和传动比
传动系数和传动比是操纵系统的两个重要 的特征参数，用它来表示操纵系统力和位 移的传动关系。 传动系数：是舵偏角增量Δφ与驾驶杆位 移增量Δx之比。常用符号k表示。 k= Δφ/ Δx （1/米）
是当驾驶杆向前、后（或向左 差动操纵： 、右）作相同的位移时，舵面向上、下的 偏转角不等的操纵。
C3 C2 C1 a b 2 2 1
B
1 C
2 1
A
b0
a0
操纵系统线路布置特点 1.线路要短且尽量贴近机身表面，使结构紧 凑且便于维护。
全动平尾操纵系统线路布置
2.系统交点接头尽量要少，且必须布置在刚 度较强的结构件上。
操纵系统的主要传动构件 1.拉杆和摇臂 拉杆：由两端耳片接头和管材组成，是受 拉或受压的细长构件。由于拉杆是受拉或 压的细长构件，要考虑它抵抗总体失稳的 能力。
摇臂：主要用来传递力、位移、或改变它 的大小和方向，或仅作支持用。刚度要好。
各种摇臂
(a)支臂
弯曲
(b)单臂摇臂
拉压
(c)舵面操纵摇臂
(d)双臂摇臂
舵偏角
H=6Km
1.0 M
3. 飞机产生单位过载 所需的平尾偏度随 M数和高度的变化很大，造成杆力和杆 位移随M数和高度的 变化也相当大，使 驾驶员很难操纵。
ny
H=12Km
H=5Km
M
（二）现代飞机飞行操纵系统 随着飞机飞行速度、高度的不断增加， 飞机的动不稳定问题变得突出，于是需 要在操纵系统中设置增稳系统。 增稳系统：是用速率陀螺和加速度计测 量飞机的振动模态，并使舵面产生相反 的运 动，以提供人工阻尼的方法使振动 很快衰减下来。操作权限不宜太大，只 为全权限的3%~6%。
表1-1 民用飞机的极限操纵载荷
极限操纵杆力
CCAR23部
最大 最小 267.2
CCAR25部
最大 1110 1330 最小 445 445
纵向 横向
驾驶杆（N） 驾驶盘（N） 400.8 驾驶杆（N） 159.8 驾驶盘（ N· M） 脚蹬（N） 520.9
106.5
445 356
178 178
10
右副翼
(b)副翼操纵系统示意图
操纵系统的强度和刚度
1.操纵系统外载荷 操纵系统的外载荷必须按强度规范要求 确定。操纵系统的设计载荷取安全系数 f=1.5,助力器后段取f=2.0。 2.操纵系统刚度 操纵系统刚度是在驾驶杆固定情况下， 产生舵面单位偏角φ所需施加的舵面铰 链力矩Mj。
即 C=Mj / φ (N•M) 刚度对操纵系统十分重要 ，系统刚度不好 就会操纵迟钝，跟随性变差，影响飞机性 能的发挥；且舵面效率底，影响机动和着 陆性能。操纵系统是按刚度设计的。
操纵系统是由多个摇臂用拉杆连接起来 的，所以操纵系统传动比也由各摇臂传 动比组成。
F Q C B P2 A
r7 r6
r
r1
r5
P3
r4 r2
P1
r3
操纵系统中任一摇臂的传动比n： 表示它主动端上的作用力与从动端上的作 用力之比，也等于从动端位移与主动端位 移之比。
Fra Baidu bibliotek
摇臂传动比
X2 F2 X1
人工飞行操纵系统可分为： A.主操纵系统 主舵面 B.辅助操纵系统辅助舵面
二、飞机操纵系统的发展概况
（一）传统的飞机飞行操纵系统 早期飞机是藉助钢索或拉杆直接操纵的。
随着飞行速度和飞机尺寸、重量的 增 大，飞行员体力很难操纵飞机，导 致了 液压助力器的出现。
助力操纵系统又分为可逆与不可逆操纵 系统
小结：
飞机操纵系统的发展：
纯机械操纵系统
可逆助力器操纵系统 不可逆助力器操纵系统
增稳操纵系统
控制增稳操纵系统 电传操纵系统
第二节 飞机操纵系统的基本工作 原理 一、对飞机操纵系统的要求
操纵系统是一个机构传力部件，它直接 或间接感受舵面铰链力矩的变化，应具 有足够的强度、刚度、且重量轻和使用 维护方便。同时它也应能给驾驶员提供 合适的杆力和杆位移。对于这一要求， 一般表现在如下三个方面：
3.助力器尽量靠近舵面布置，且要有足够大 的固定支持刚度，这样可以减轻后段系统 的重量和改善助力器动态性能。
斜加强支座 纵向加强型材
液压助力器的安装和传力
典型客机副翼操纵系统
1
钢索扇形轮
2
配平操纵钢索 3感觉弹簧支柱
双重操纵钢索
4
(a)构造图
1 左驾驶盘
10作动筒
左副翼
钢索补偿器
弹簧支柱
4
3
三角力臂 钢索补偿器
限动钉 方向舵 传动杆 脚蹬调 整卡锁
某 型 歼 击 机 的 中 央 操 纵 构
脚蹬
驾驶杆式手操纵系统
O
O O 1 2
3
a b 4 3
1
2
O 4
b 3
驾驶盘式手操纵机构及其原理图
脚蹬平放式脚操纵机构
脚蹬杆 横杆
脚蹬 钢索
脚蹬立放式脚操纵机构
方向舵操纵钢索 a
b a 脚蹬 b b
a
至方向舵
操纵系统的小片段
操纵系统的传动系数
x F
k= Δφ/ Δx
O Q r Mj

传动系数也可定义为驾驶杆力与舵面铰 链力矩之比: k= F/ Mj 若不考虑系统摩擦力，那么驾驶员杆力 F所做的功应等于舵面铰链力矩Mj驱动 舵面偏转所做的功： F•Δx= Mj•Δφ •符号规定：驾驶杆前推为正，后拉为负。
传动系数要适当选取： k不可太大，也不可太小。
(e)散臂摇臂
弯曲 不好 好
扭转
(f)平面摇臂
(g)空间摇臂
2.刚索和滑轮、刚索张力补偿器 刚索：由多股钢丝编织而成，它靠张力传 力。受拉易伸长，须预加拉紧力，可以减 小刚索传动中产生的张力。
滑轮：支持刚索或改变刚索的运动方向和 力的大小。
刚索、刚索接头及其连接
缩紧套管
(a)钢索的加强套
(d) 螺套接头
可逆
杆力模拟装置 （载荷感觉器）
不 可 逆
不可逆操纵系统除设计了载荷感觉器外，还配上: 1. 调正片效应机构（杆力配平装置）：卸除载荷感 觉器中的压缩位移，从而使驾驶员能松杆飞行。 2. 力臂自动调节器：解决机动飞行中因飞行高度和 速度变化大所引起的驾驶技术不一致的困难。
电门A
力臂自动调节器
液压助力器